1.背景
2020年2月，国家八部委《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》要求“重点突破精准地质探测、……智能快速掘进、复杂条件智能综采、……重大危险源智能感知与预警……等技术与装备”，5年来，国内大型煤矿企业已基本完成示范矿井的智能化建设，相关高校院所对煤矿智能化类课题进行了深入探索和攻关，智能化煤矿十大系统建设体系初步形成，各细分领域面临的卡脖子难题已基本凸显。其中智能掘进和智能回采两大系统中要求探测设备实现采掘区域的地质构造、水文地质条件的精准探查。因理论研究无法突破、装备灵敏度不够、井下条件恶劣等应用技术条件的限制，现有勘探装备很难满足煤矿智能化建设对地质精准探查的需求。为解决此类痛点，保证采掘接续和安全高效生产，近2年来，随掘随探、随采随探技术从前期的理论研究逐渐拓展到煤矿井下试验应用，衍生了相关系统产品并取得了较为满意的成果。现阶段的随掘随探、随采随探系统不论是在市场需求还是产品研制都处于一个萌芽并快速成长的阶段。
2.技术概述和应用情况
2.1 技术概述
随掘地震探测，在巷道掘进的过程中，掘进机（综掘机/盾构机）切割煤岩体会产生剪切作用，形成沿着巷道轴线方向传播的P波和垂直于巷道轴线方向的SV波、SH波等。当遇见地质异常体时，由于地震波阻抗存在差异，会形成地震回波，将机械切割煤岩体所产生的地震回波信号作为巷道随掘超前探测的震源激发信号，通过布设地震传感器，并实时记录随采地震波形，分析地震波的旅行时间、振幅、相位和频率，基于相关干涉理论，利用深度域绕射扫描偏移叠加成像技术，进行巷道前方不良异常体的反演分析，进而实现对不同地质异常的地质解译和地质异常识别。
随采地震探测，利用采煤机切割煤壁产生的振动信号作为震源，将其转化为有效地震信号后，随采地震波在煤层内传播的过程中，被安装在两顺槽中的检波器接收，通过巷道内的采集站转化后接入井下工业环网，实时传输至调度服务器，监测软件调用数据并进行实时处理与成像显示，动态监测工作面内部煤层中断层、陷落柱、煤层变薄区等静态地质条件。除了以采煤机的截割震动作为地震激发震源这一特殊性之外，随采地震勘探的方法原理与常规地震勘探是相同的。
随掘电法探测，利用掘进机/盾构机掘进巷道后方两侧布设供电电极供电，从而构成电法数据采集系统，实现随掘电法的数据采集，对采集的数据进行小波变换等算法实现软件层面的滤波，在硬件电路中设计巴特沃斯等低通滤波的方式，去除高频噪声和复杂噪声，实现了硬件层面的去噪，对处理好的数据进行电阻率反演成像，根据呈现结果进行地质预报。另外，激发极化法在随掘超前探测中也有部分应用，但主要适用于浅埋隧道施工超前探测。
随采电法探测，以探测物体的电差异性为基础，通过布设专用电极、向工作面顶板/底板发射电流建立电场，测量工作面顶、底板在电阻率变化影响下的电场响应，根据异常响应的电场规律对工作面水害进行分析判断，达到研究地质构造、探测裂隙带及地下水文特征的目的。
2.2 应用现状
据相关文献报道，淮南顾桥煤矿随掘地震实时超前探测，实现100m范围内落差大于1/2煤层厚度的断层位置及走向的超前探查，平面位置摆动误差小于5m，总体探测成果准确率达80%以上。内蒙古乌海能源公乌素煤业随掘地震探测，探测距离达300m，是煤层厚度的60多倍；预报6处断层，准确率75%，最大平面摆动误差6m。鄂尔多斯市唐家会煤矿61302掘进工作面随掘地震探测，成功预测预报了掘进头前方200m处0.5m小断层，预报位置误差仅为8m。贵州岩脚矿随采地震探测，工作面内超前探测距离超过200m，探测出断距小于半个煤厚的小断层2条。黄陵一号煤矿626回风顺槽随掘超前探测，实现工作面前方100ｍ范围内部静态地质异常体以及突出危险区监测预警。
随掘震电探测近2年来在理论研究和井下现场应用逐渐增多，安徽四大矿业集团在随掘地震方面应用更为广泛，一方面是因为随掘随探新技术的发展有望于提高探测效率解决采掘接续难的问题，另一方面是煤矿智能化建设要求地质勘探技术与装备能够实现自动采集、自动上传、自动解析和预警的功能，且国家八部委对煤矿智能化建设的总体要求是“到2025年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化，……到2035年，各类煤矿基本实现智能化”，据此预计，未来3-5随掘随采探测技术将是一个不断升级改进、突破创新和再完善的过程，未来5-10年，此项技术将在国内煤矿普遍应用。随掘随探在煤矿智能化发展过程中发挥的是雪中送炭的推进作用，才此基础上的随采随探是锦上添花，由于上下两顺槽掘进的揭露、切眼的贯通以及过程中使用的综合钻探和物探手段，基本上对工作面煤层内部的隐伏构造有了一个大概的掌握，回采过程中出现新的隐蔽致灾因素的可能性较低，故随掘随探技术是未来几年煤矿智能化建设中安全保障类需求的甜点，也是未来几年地球物理勘探技术与装备研发的主攻阵地。
3.发展趋势
（1）机载式探测
现有随掘系统多为半机载或分离式系统，与掘进机、割煤机、盾构机并未实现电气、操控上的耦合，项目服务过程中需持续性的人为干预，仍需耗费一定的人力资源，全机载式探测系统将全面解放井下一线工作，实现一次安装，全过程、全周期使用，极大降低工程服务成本。另一方面，将随掘随采系统整合到掘进回采设备中，可直接采掘装备制造厂商合作，实现合作共赢。
（2）全空间观测
目前随掘随采探测只能观测掘进和回采前方的地质异常，但经一线应用、现场交流反馈总结，现场对掘进工作面的顶底板、甚至后方的地质异常探测均存在探测需求，这就促使随掘随采探测技术需解决工作面全空间的地质探测的难题。
（3）随掘随采信号多场景应用
目前此项技术的探测对象多为断层、陷落柱等构造破碎带，以及含水体的低阻异常区，从理论可能和现场需求来看，岩性判别（煤岩识别）、盾构机滚刀破损识别与刀盘故障识别、综掘机与割煤机故障识别等场景的拓展应用也具备较高的研发和推广潜力。
（4）信号自动处理
警情的快速识别和及时发布是所有安全类监测产品的共同目标，少人、无人始终是煤矿智能化发展的指导思想，与之匹配的随掘随采探测系统必将要跟上这个步伐，从实际应用反馈信息分析，现阶段各类随掘随采信号的解析处理多需人为干预，实现真正意义上的自动采集、自动处理、自动解析和预警，是市场和客户的要求，更是责任。
4. 结论建议
（1）理论研究方面
相较于传统地震和电法探测技术，随掘随采探测技术在数据采集频率、探测工作模式、探测工作成本等方面有了较大的改进，高覆盖、长曝光的优势一定程度上弥补了传统物探在多解性和不确定性上的不足，但电法探测金属干扰问题、地震信号定量识别、震电探测信号数学耦合等方面仍未取得阶段性突破，这就导致目前的地质探测结果还无法完全满足智能掘进和智能回采对地质情况精准探查的要求，在随掘随采科研和工程项目执行过程中，仍需不断深入问题研究并以日拱一卒的心态来攻关。
（2）硬件设备方面
地球物理场信息的感知与采集依靠监测系统的硬件来完成，而硬件装备稳定性、感知精度、抗干扰能力、多源数据信息综合采集、有效信息提取、干扰数据自动剔除等性能的好坏也会影响最终地质解释结果，现阶段随掘随采类探测设备因面临缺少装备稳定性及精准性对比、测试服务及仪器性能评估不足等问题，暂未形成统一标准的行业规范，这就要求硬件研发企业要以安全为底线，以智能化建设的要求为标准，不断自我革新，高标准、严要求，推动系统装备升级改进，力争引领行业。
（3）软件解析平台方面
单种探测方法数据反演多解性尚未突破，多源数据融合解释、共同反演是现阶段提高探测准确性的有效手段。这就需要一个综合平台统筹管理多来源数据。地球物理探测领域，现阶段仍面临多系统数据标准不统一、随掘随采大数据利用程度不够、人工智能分析模型缺失、多源数据专业性判别解释功能欠缺、震电联合定量化预警机制缺失等问题，在理论攻关的同时，要将大数据、人工智能等新兴技术具体落实应用到平台软件框架中，达到实用层面上的智能化。